前沿纳米酶技术：为大肠杆菌检测带来革命性提升

细菌感染对全球健康构成严重威胁，可引发多种疾病，如伤口炎症、食源性疾病、痢疾甚至败血症等，严重时会导致死亡。因此，及时且特异性地检测细菌对于预防细菌污染、追踪污染源至关重要。然而，传统的细菌检测方法存在诸多弊端，如耗时久、成本高，且通常需要专业操作人员进行操作。在突发公共卫生事件中，这些缺点尤为明显，难以满足快速检测的需求。在此背景下，基于纳米酶的侧向流动免疫分析（LFIA）技术成为研究热点。LFIA 因其准确性高、便于携带和操作简单等优势，在即时检测（POCT）领域备受青睐，但目前常用的金纳米颗粒（Au NPs）标记的 LFIA 灵敏度相对较低，无法有效识别低含量的目标物。而具有类酶催化活性的纳米复合材料，有望通过催化产生高强度信号，增强 LFIA 的检测灵敏度，成为该领域的研究重点。

近日，来自西北农林科技大学和华南师范大学的科研团队在Chemical Engineering Journal期刊上发表了题为 ：Ru nanoclusters engineer Prussian blueanalog nanocubes for multiple active sites synergistic catalysis enabling high-performance bacterial detection论文。

本次研究中，科研团队创新性地将钌纳米团簇（Ru NCs）通过自组装过程掺杂在普鲁士蓝类似物纳米立方体（PBA NCs）上，制备出 PBA@Ru NCs。理论计算表明，Ru NCs 可使 H₂O₂自发解离，生成吸附态 O 和 H₂O，不仅开辟了氧化 3,3,5,5 - 四甲基联苯胺（TMB）的新非自由基途径，还为产生・OH 提供了与 PBA NCs 不同的特殊路径，有效克服了纯 PBA NCs 和 Ru NCs 的固有缺陷，使 PBA@Ru NCs 具备良好的分散性、高效的类过氧化物酶活性和更高的光热转换效率。

图 1：展示 PBA@Ru NCs 合成过程，通过多种测试（光谱、电位、活性等）对其进行表征，确定 Ru-3 为最佳探针，并呈现其形貌、尺寸及元素分布。

图 2：利用 XRD、XPS 等技术分析 PBA@Ru NCs 晶体结构、元素组成及价态，通过 BET 测试确认 Ru NCs 成功负载。

科研团队对 PBA@Ru NCs 进行了全面的表征分析。TEM、XRD、XPS 等多种表征技术显示，PBA@Ru NCs 呈近立方形态，直径约 116nm，Ru NCs 成功负载在 PBA NCs 框架上，且未改变其原有晶体结构。在催化性能测试中，PBA@Ru NCs 表现出优异的类过氧化物酶活性，能高效催化 H₂O₂产生・OH，对 TMB 和 H₂O₂的结合亲和力也高于 PBA NCs。同时，其光热性能出色，光热转换效率达到 42.64%，且在多次循环测试中表现出良好的稳定性。

图 3：通过多种实验（光谱、荧光、ESR 等）验证 PBA@Ru NCs 的类 POD 活性，分析其催化产生活性氧的能力及催化动力学，展示离子层面催化机制。

图 4：借助 DFT 计算，以自由能图和示意图呈现 PBA@Ru NCs 相比 PBA NCs 在类 POD 反应中独特的催化路径和机制。

研究人员进一步将 PBA@Ru NCs 制备成检测探针，应用于 LFIA 平台检测大肠杆菌 O157:H7。通过优化检测条件，该平台展现出卓越的检测性能。在催化后的裸眼检测限低至 87 CFU/mL，比 Au NPs 标记的 LFIA 检测限低 1000 倍。此外，该方法具有较宽的线性范围、良好的特异性、重复性和准确性，在牛奶和猪肉等复杂样品检测中，回收率良好，展现出良好的实际应用潜力。

图 5：测试 PBA@Ru NCs 光热性能（温度变化、转换效率等），并通过光谱、电位等方法表征 PBA@Ru-mAb 探针的制备及与细菌的结合能力。

图 6：呈现基于 PBA@Ru NCs 的 LFIA 检测大肠杆菌 O157:H7 的原理、校准曲线、特异性、检测限及在食品样品中的回收率。

该研究成果不仅为构建具有高效催化活性的纳米酶提供了新的思路和方法，而且其在 LFIA 平台上对大肠杆菌 O157:H7 的检测性能显著提升，有望成为高灵敏度检测大肠杆菌 O157:H7 的替代方法，在复杂细菌污染样品检测中具有广阔的应用前景。同时，PBA@Ru NCs 作为多信号标记物，未来还有望应用于其他病原体、毒素或生物标志物的检测，为食品安全、疾病诊断等领域的发展带来新的机遇。

参考文献：

Ma K, Cao Y, Xuan C, et al. Ru nanoclusters engineer Prussian blue analog nanocubes for multiple active sites synergistic catalysis enabling high-performance bacterial detection[J]. Chemical Engineering Journal, 2025: 160553.